基于液態(tài)金屬的微型柔性織物電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

可穿戴設(shè)備集成電化學(xué)傳感平臺(tái)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有廣闊的前景。然而，傳統(tǒng)的電化學(xué)平臺(tái)通常構(gòu)建于印刷電路板（PCB），在柔韌性和透氣性方面都比較差，并且缺乏延展性。而室溫下的液態(tài)金屬具有出色的流動(dòng)性和導(dǎo)電性，在柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，北京航空航天大學(xué)和清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種基于液態(tài)金屬的微型柔性織物電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有柔韌性強(qiáng)、透氣性好、可貼合人體的特點(diǎn)。該科研團(tuán)隊(duì)利用液態(tài)金屬優(yōu)異的流動(dòng)性和導(dǎo)電性，制造出雙層電路，顯著縮小了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。通過(guò)電阻、穩(wěn)定性、圖像表征和鐵氰化鉀測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的線性響應(yīng)、時(shí)間穩(wěn)定性和可重復(fù)性。該系統(tǒng)可以檢測(cè)到汗液中毫摩爾水平的葡萄糖，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可穿戴和便攜式檢測(cè)方面（例如健康監(jiān)測(cè)和即時(shí)檢測(cè)等）顯示出巨大的潛力。

基于液態(tài)金屬的織物電化學(xué)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其原理圖

目前，柔性可穿戴電化學(xué)傳感系統(tǒng)的研究已取得了初步進(jìn)展。關(guān)于可穿戴生物傳感器此前已經(jīng)發(fā)表過(guò)相關(guān)研究，這些可穿戴生物傳感器采用便攜式甚至可穿戴的檢測(cè)系統(tǒng)，采用像氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）、聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）等柔性基板。雖然它們具有出色的彎曲和拉伸能力，但其較差的透氣性致使在佩戴時(shí)給皮膚造成一定的負(fù)擔(dān)，甚至可能引起皮膚炎癥。因此，可穿戴設(shè)備的舒適性受到很大限制。

織物是一種常見(jiàn)的親膚材料。通過(guò)在織物上印刷制備的生物傳感器可以與皮膚直接接觸，同時(shí)增強(qiáng)了透氣性，提高了舒適度。現(xiàn)有的基于織物的生物傳感器已用于檢測(cè)葡萄糖、pH、乳酸和尿酸等生物信號(hào)。這些研究通過(guò)在織物上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電電路，驗(yàn)證并應(yīng)用了生物傳感器的功能。然而，使用普通的電子墨水，如用于印刷的納米銅、納米銀、納米金和石墨墨水，直接在織物上制造復(fù)雜電路仍然具有挑戰(zhàn)性。這主要是由于交叉電路需要多層互連，這在使用這些導(dǎo)電油墨的織物上很難實(shí)現(xiàn)。

柔性織物電路的制造工藝

在這項(xiàng)研究中，為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員使用室溫下的液態(tài)金屬鎵銦錫合金（Galinstan，68.5%的鎵、21.5%的銦和10%的錫）作為導(dǎo)體在織物上制造電化學(xué)傳感系統(tǒng)。由于其具有良好的流動(dòng)性和導(dǎo)電性，鎵銦錫合金已成為柔性電子領(lǐng)域中柔性導(dǎo)體的重要候選材料。此外，出色的流動(dòng)性允許自我修復(fù)，具有較強(qiáng)的延展性，這是柔性和可拉伸電子器件非常理想的材料。因此，研究人員將所有電路通過(guò)液態(tài)金屬印刷在兩層織物上以實(shí)現(xiàn)這種電化學(xué)傳感系統(tǒng)。

柔性織物電路的表征

通常，液態(tài)金屬成型的方法很復(fù)雜。例如，微通道噴射需要真空抽吸設(shè)備，霧化噴涂需要噴槍，3D打印需要一系列相關(guān)的打印設(shè)備。一些研究需要對(duì)液態(tài)金屬材料進(jìn)行預(yù)處理，以使其具有粘性，從而降低后續(xù)成型步驟中的流動(dòng)性。此外，雜質(zhì)也會(huì)影響液態(tài)金屬的導(dǎo)電性。該研究中，科研人員利用聚甲基丙烯酸酯（PMA）將沒(méi)有雜質(zhì)的液態(tài)金屬印花在織物上，無(wú)需額外的設(shè)備和復(fù)雜的預(yù)處理。膠水增強(qiáng)了金屬與織物之間的附著力，提高了電路的穩(wěn)定性，整個(gè)織物基板的電路具有良好的透氣性。此外，制造工藝方便、快捷、人性化。這種基于液態(tài)金屬的織物電化學(xué)傳感系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)發(fā)一種基于液態(tài)金屬的雙層電路，集成了信號(hào)采集和信號(hào)處理的功能。

該系統(tǒng)主要由以下部分組成：基于液態(tài)金屬的柔性織物檢測(cè)電路、筆記本電腦上的控制軟件和可更換電極。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)0~3?V范圍內(nèi)的恒壓電路進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，并將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦的軟件中。傳感部分使用商用電極。該電化學(xué)傳感系統(tǒng)的功能通過(guò)鐵氰化鉀測(cè)試得到驗(yàn)證。此外，人體汗液中葡萄糖的檢測(cè)是在毫摩爾水平上實(shí)現(xiàn)的，這表明其在可穿戴電化學(xué)傳感中的應(yīng)用潛力很大。

用于葡萄糖檢測(cè)的織物電化學(xué)傳感器系統(tǒng)的測(cè)試情況

綜上所述，科研人員通過(guò)使用液態(tài)金屬制造兩層電路，引入了一種基于織物的微型電化學(xué)傳感系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)傳感。由于液態(tài)金屬的流動(dòng)性和織物的透氣性，這種緊湊的電化學(xué)系統(tǒng)為可穿戴傳感設(shè)備提供了極大的舒適性和便攜性。可實(shí)現(xiàn)0~3?V范圍內(nèi)的恒壓電路，以用于葡萄糖濃度檢測(cè)。該系統(tǒng)的性能通過(guò)鐵氰化物測(cè)試得到驗(yàn)證。此外，在人體汗液的干擾下檢測(cè)到了毫摩爾水平的葡萄糖，進(jìn)一步證明了其靈敏度和穩(wěn)定性。最重要的是，這種可穿戴且緊湊的織物電化學(xué)系統(tǒng)在健康監(jiān)測(cè)、家庭診斷和治療、移動(dòng)醫(yī)療和即時(shí)檢測(cè)方面具有很大的應(yīng)用潛力。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00365-3

審核編輯 ：李倩